§ 88. МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ И СИЛА ТРЕНИЯ

Тело, получив толчок, движется вверх, против силы тяжести. При этом его кинетическая энергия уменьшается. Достигнув верхней точки траектории, тело на миг останавливается и начинает обратный путь вниз.

Но вот другой пример. Тело лежит на горизонтальной негладкой поверхности. Получив толчок, оно начинает двигаться. Из-за действия силы трения кинетическая энергия тела уменьшается. Пройдя некоторое расстояние, тело останавливается, но не на миг, как в примере с брошенным вверх телом. Оно остановится совсем и в обратный путь уже не двинется.

Почему так по-разному ведет себя тело в этих двух как будто бы похожих случаях? Ведь в каждом из них тело движется против некоторой силы, которая совершает отрицательную работу, что и приводит к уменьшению кинетической энергии. Все дело в том, что в первом примере кинетическая энергия, постепенно уменьшаясь, превращается в потенциальную энергию взаимодействия тела и Земли. За счет этой энергии и совершается работа при движении тела вниз. В случае же движения тела по шероховатой поверхности кинетическая энергия уменьшается, но не превращается в потенциальную энергию. Поэтому и тело не движется в обратном направлении: нет энергии, за счет которой могла бы быть совершена работа при таком перемещении.

Выходит, что, когда на тело действует сила трения (сама но себе или вместе с другими силами), нарушается закон сохранения энергии: кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная энергия не появляется. Следовательно, полная механическая энергия уменьшается.

Такое уменьшение механической энергии мы наблюдаем даже при движении падающего на Землю тела, если падение происходит

не в вакууме, а в воздухе. При этом движении потенциальная энергия тела уменьшается на величину как и при движении в пустоте. Но скорость тела, когда оно достигнет поверхности Земли, будет меньше, чем при свободном падении. Меньшей будет и его кинетическая энергия, так что она уже не будет равна убыли потенциальной энергии. За счет потерянной энергии была совершена работа против силы сопротивления воздуха. Хотя мы и знаем, куда пропала механическая энергия, она все-таки исчезла и закон сохранения энергии оказывается как будто нарушенным.

Но оказывается, что нарушение закона сохранения энергии здесь только кажущееся. Дело в том, что трение одного тела о другое всегда приводит к нагреванию обоих тел, к повышению их температуры. Из курса физики VII класса известно, что температура тел определяется кинетической энергией движущихся молекул или атомов, из которых состоят все тела. Поэтому при нагревании трущихся тел увеличивается энергия движения молекул тела, или, как говорят, внутренняя энергия тела. Не происходит ли это увеличение внутренней энергии как раз за счет «теряющейся» кинетической энергии движения всего тела? Тщательные измерения показали, что когда движущиеся тела из-за действия силы трения уменьшают свою кинетическую энергию, их внутренняя энергия (энергия движения модекул в теле) в самом деле увеличивается ровно на столько, на сколько уменьшается механическая энергия. Следовательно, механическая энергия хотя и уменьшается, но не теряется бесследно, а только переходит в энергию движущихся молекул.

Мы приходим, таким образом, к очень важному выводу, что возможно не только превращение энергии из потенциальной в кинетическую и обратно. Кинетическая энергия может превращаться в немеханическую форму энергии — во внутреннюю энергию движения частиц, составляющих тело. Энергия и замечательна тем, что она может иметь различные формы: кинетическую, потенциальную, внутреннюю и много других форм, с которыми вы ознакомитесь позже. А закон сохранения энергии означает, что сохраняется сумма всех видов энергии тела. И всякий раз, когда при каком-нибудь процессе или явлении наблюдается «пропажа» какого-нибудь вида энергии, можно быть уверенным, что в этом процессе появилась энергия какого-нибудь другого вида.

Упражнение 59

1. Как изменяется механическая энергия тела, когда на него действует сила трения скольжения?

1. На движущееся по горизонтальной плоскости тело на протяжении пути длиной 15 м действует сила трения, равная 100 н. На сколько изменилась механическая энергия тела? Какая именно энергия (кинетическая или потенциальная) изменилась?

3. Парашютист массой 70 кг после прыжка с самолета движется сначала ускоренно, а затем, начиная с высоты и до приземления,

равномерно со скоростью 6 м/сек. Какая работа совершена силой сопротивления воздуха за время равномерного движения?

4. Тело массой 2 кг падает с высоты 240 м и проникает в грунт на глубину 0,2 м. Сила трения тела о грунт равна 10 000 н. Совершало ли тело свободное падение или двигалось в воздухе?

5. Существует ли закон сохранения кинетической энергии?

6. Существует ли закон сохранения потенциальной энергии?

7. Пуля массой 10 г, летящая в горизонтальном направлении со скоростью 600 м/сек, попадает в деревянный брус массой 2 кг и застревает в нем. При этом и пуля, и брус нагреваются. Какая энергия идет на нагревание? Силой сопротивления воздуха пренебречь.